Chapter 6. 정사면체 중심에서 입체 화학

CONTENTS 6 Stereochemistry at Tetrahedral Centers Organic Chemistry Enantiomers and the Trtrahedral Carbon 6.1 6 Stereochemistry at Tetrahedral Centers The Reason for Handedness in Molecules: Chirality 6.2 Optical Activity 6.3 Pasteur’s Discovery of Enantiomers 6.4 Sequence Rules for Specifying Configuration 6.5 Diastereomers 6.6 Meso Compounds 6.7 Racemic Mixtures and the Resolution of Enantiomers 6.8 A Brief Review of Isomerism 6.9 Chirality in Nature and Chiral Environments 6.10 Many organic molecules also have mirror-image counterparts. Interlude – Chiral Drugs

입체화학 당신은 오른손 잡이인가 또는 왼손잡이인가? 손잡이성은 유기화학과 생물화학에서 중요한데 그것은 sp3 혼성화 탄소 원자의 정사면체 입체 구조의 결과로서 일차적으로 일어나기 때문이다.

왜 이 장인가? 분자의 손잡이성의 원인과 결과를 이해하는 것은 유기화학과 생물화학을 이해하는 데 아주 중요하다.

6.1 거울상 이성질체와 사면체형 탄소 4개의 다른 치환기가 붙어있는 하나의 탄소를 포함하는 분자는 중첩할 수 없는 거울상을 가진다. 거울상 이성질체 (enantiomer)

거울상 이성질체 (Enantiomer): 거울상이 동일하지 않은 분자 락트산의 거울상 구조

6.2 분자에서의 손잡이성 이유: 카이랄성 분자가 그의 거울상과 동일하지 않으면 카이랄(Chiral) 하다고 한다. 4개의 다른 기가 결합된 탄소 원자를 입체중심(stereocenter) 또는 카이랄성 중심(chirality center)이라 한다. 카이랄한 화합물은 카이랄성 중심을 가지고 있다.

카이랄성 대칭면은 분자나 다른 물체의 중앙을 가로질러 잘라 분자 또는 물체의 반쪽이 다른 반쪽의 거울상이 되도록 하는 면이다. 대칭면을 갖고 있는 분자는 그것의 거울상과 동일 하기 때문에 비카이랄(nonchiral) 또는 achiral이다 대칭면은 카이랄 분자를 확인하는 좋은 방법이다.

대칭면 (a) 플라스크같은 물체는 대칭면을 갖고 있어 오른쪽 반과 왼쪽 반이 서로 거울상이 된다. (b) 손과 같은 물체는 대칭면이 없어 오른쪽‘반’이‘왼쪽’반의 거울상이 아니다.

분자내 대칭면

6.3 광학 활성도 빛이 편극계(polarizer)라 부르는 장치를 통과할 때 단일 평면 상에서 진동하는 전자기파만 통과하는데 이때 빛이 평면 편광화되었다고 한다. 카이랄성 화합물의 용액에 평면 편광을 통과시키면 평면 편광이 일정한 각도 만큼 회전하는데, 이러한 성질을 나타내는 물질을 광활성 (optically active) 물질이라고 한다. 이러한 현상은 19세기 초 프랑스 물리학자 Jean Baptiste Biot에 의해 발견되었다.

광회전도의 측정 평면 편광의 회전 정도는 다음그림에 나타낸 편광계(polarimeter)라는 기기로 측정된다. 광활성 유기물의 용액을 시료관에 넣고 평면 편광을 통과시키면 편광의 회전이 일어난다. 이때 빛의 회전 정도를 분석기(analyzer)를 이용하여 측정한다.

광학활성도 회전각도: [] 시계바늘 방향 회전: 우회전성 (dextrorotatory) 시계바늘 반대 방향 회전: 좌회전성 (levorotatory) 고유 광회전도 (specific rotation, []D ) []D = 관찰된 회전각도/(통로길이 x 농도) = /(l x C) = degrees/(dm x g/mL) 고유 광회전도는 589 nm 파장의 빛을 이용하여 시료관의 길이, l가 1데시미터(dm, l dm = 10 cm)이고 시료의 농도, c가 1 g/cm3일 때 관찰되는 회전으로 정의한다.

몇 가지 유기분자의 고유 광회전도 고유 광회전도, []D는 주어진 광활성 화합물의 고유한 물리적 상수이다. 거울상 이성질체 2개는 평면 편광을 같은 정도로 회전시키나 반대 방향이다.

6.4 Pasteur의 거울상 이성질체 발견 Pasteur는 28oC 이하에서 타타르산 나트륨 암모늄의 진한 용액을 결정화시켜 2종의 결정이 생성되는 것을 관찰하였는데, 그것을 ‘오른손잡이성’ 결정과 ‘왼손잡이성’ 결정의 2가지 무더기로 분리할 수 있었다. 분리된 더미의 각각의 용액은 광활성이었고, 그들의 고유 광회전도는 크기는 같고 부호는 반대였다. Pasteur가 거울상 이성질체를 발견하였다고 말 할 수 있다.

6.5 배열을 정하는 순위 결정 규칙 카이랄성 중심 주위에 있는 치환기의 3차원 배치, 또는 배열(configuration)을 나타내는 방법을 위해 치환기 순위 결정 (Cahn-Ingold-Prelog scheme). 규칙 1 - 카이랄성 중심에 직접 결합된 4개의 원자를 원자 번호가 감소하는 순으로 우선순위를 매긴다. 규칙 2 - 치환기의 첫 번째 원자에서 순위를 정할 수 없다면 차이가 생길 때까지 두 번째, 세 번째, 또는 네 번째 원자 등으로 내려간다. 규칙 3 - 다중결합 원자들은 같은 수의 단일결합 원자들과 같다.

R 혹은 S 배열 결정 우선순위가 가장 낮은 치환기(4)를 우리 눈으로부터 뒤쪽으로 향하도록 한다. 가장 높은 우선순위를 갖는 것부터 우선순위가 감소하는 순서(1→ 2 → 3)에 따라 그린 화살표의 방향이 시계바늘 방향이면 카이랄성 중심은 R 배열(R configuration)이다. 반대 방향이면 S 배열(S configuration)이다.

6.6 부분입체 이성질체 일반 규칙으로서, n개의 카이랄성 중심을 가진 분자는 최대 2n 개까지 입체 이성질체를 가질 수 있다. 거울상 이성질체(enantiomer) 부분입체 이성질체(diastereomer)는 거울상이 아닌 입체 이성질체를 말한다.

트레오닌: 2 카이랄성중심 -> 4 개의 입체 이성질체 가능

6.7 메소 화합물 두 개의 카이랄성 중심을 가진 타타르산은 4개의 입체 이성질체를 가지며 아래와 같이 그릴 수 있다. 거울상인 2R,3R과 2S,3S 구조는 동일하지 않으므로 한 쌍의 거울상 이성질체이다. 2R,3S와 2S,3R 구조는 분자가 대칭면을 가지므로 동일하며 따라서 비카이랄이다. 카이랄성 중심을 가지나 비카이랄인 화합물을 메소 화합물 [meso compound]이라 한다.

(2R,3S) 과 (2S,3R) 은 동일한 화합물이다.

6.8 라세미 혼합물과 거울상 이성질체의 분할 거울상 이성질체의 50:50 혼합물을 라세미 혼합물(racemic mixture) 또는 라세미체(racemate)라고 부른다. 그러한 혼합물은 한 거울상 이성질체로부터 (+) 회전이 다른 거울상 이성질체로부터 (-) 회전을 정확히 상쇄하므로 광할성이 없게 된다. 라세미 혼합물로부터 거울상 이성질체 각각을 분리하는 것은 거의 불가능하다. 라세미 혼합물로부터 거울상 이성질체 각각을 분리하기 위해서는 거울상 이성질체를 부분 입체이성질체로 만들어 분리하여야 한다.

분리가능

6.9 이성질 현상의 간단한 복습 여러 종류의 이성질체에 대한 요약

구조 이성질체 화합물의 원자들이 다르게 연결되어 생긴 이성질체

입체 이성질체 화합물내 원자들의 연결 방법은 동일하나 공간 배열이 달라 생긴 이성질체.

6.10 천연의 카이랄성과 카이랄 환경 카이랄 분자의 다른 입체 이성질성 구조들은 물리적 성질뿐만 아니라 일반적인 생물학적 성질도 다르다. 의약품의 경우 입체구조가 매우 중요한 역할을 한다.

카이랄 의약품